工程材料_13 零部件的失效与选材

时，承受冲击载荷。

⑵ 齿轮的主要失效形式：①断齿：除因过载（主要是冲击载荷过大） 产生断齿外，大多数情况下的断齿，是由于传递动力时，在齿根部产
生的弯曲疲劳应力造成的。②齿面磨损：由于齿面接触区的磨擦，使
齿厚变小、齿隙加大。③接触疲劳；在交变接触应力作用下，齿面产 生微裂纹，遂渐剥落，形成麻点。

⑶ 对齿轮材料的性能要求：①高的弯曲疲劳强度；②高的耐磨性和 接触疲劳强度；③轮齿心部要有足够的强度和韧性。
满足使用性能要求的前提下，采用便宜 的材料，把总成本降至最低，取得最大
的经济效益。


二、典型零部件选材及工艺分析
㈠ 齿轮类零件的选材 1、齿轮的工作条件、主要失效形式及对性能的要求。 ⑴ 齿轮的工作条件：①啮合齿表面承受较大的既有滚动又有滑动的 强烈磨擦和接触疲劳压应力。②传递动力时，轮齿类似于悬臂梁，轮 齿根部承受较大的弯曲疲劳应力。③换挡、启动、制动或啮合不均匀
劳断裂。深的车刀痕是高应力集中源，也是引起泵轴断 裂的主要原因。泵轴材料是成分和热处理组织不合格材 料。
第二节 零部件的选材


一、选材的基本原则
1、使用性能原则
材料的使用性能应满足使用要求。使用性能指 零件在使用状态下材料应该具有的机械性能、 物理性能、化学性能。
2、工艺性能原则 材料的工艺性能应满足生产工艺的要求。
塑料变软，使热固性塑料烧焦。
高分子材料的加工工艺路线

（3）陶瓷材料的工艺性能

陶瓷材料加工的工艺路线比较简单，主要工艺是
成形，其中包括粉浆成形、压制成形、挤压成形、可 塑成形等。 陶瓷材料成形后，除了可以用碳化硅或金刚石砂 磨加工外，几乎不能进行任何其它加工。

陶瓷材料的加工工艺路线


3、经济性原则
指标的现象，称为高分子材料的老化。老化是
高分子材料不可避免的。

二、失效原因
造成零部件失效的原因很多，主要有设计、
选材、加工、装配使用等因素。

1、设计不合理
2、选材错误
3、加工工艺不当
4、装配使用不当


三、失效分析
1、失效分析的一般程序 ⑴ 收集失效零部件的残骸，进行宏观外形与尺寸的 观察和测量，拍照留据，确定重点分析的部位。 ⑵ 调查零部件的服役条件和失效过程。
量高的材料，防止超载。 （2）塑性变形失效 外加应力超过零件材料的屈服极限时发生明显的塑性 变形(永久变形)。 防止零件塑性变形失效的措施：采用屈服强度高的材 料，进行合理的热处理，防止超载。
2、断裂失效 断裂失效 机械零件因断裂而产生的失效。 （1）韧性断裂失效 断裂前有明显的塑性变形。 宏观变形方式为颈缩，典型断口呈韧窝状，韧窝是由于 空洞的形成、长大并连接而导致韧性断裂产生的。


⑶ 查阅失效零部件的有关资料，包括零部件的设计、 加工、安装、使用维护等方面的资料。
⑷ 试验研究


2、失效分析实例——锅炉给水泵轴的断裂分析
某大型化肥厂从国外引进的两台离心式锅炉给水泵在试车过程中只运 行了 1400 多小时便先后发生断轴事故。泵轴的材质相当于我国的 42CrMo钢，外径为90mm，断裂部位为平衡鼓附近的轴节处，该处最小 直径为74mm。在试车期间，给水泵曾频繁开停车。图为泵轴的断口照 片。
成分分析表明，泵轴材料的含碳量高于标准的上限
（0.45%）达到0.48%。泵轴的心部组织为魏氏组织，表 面为粗大晶粒的回火索氏体组织。显然，泵轴材料为不 合格材料。泵轴表面机械加工粗糙，断口部位有四条明 显的深车刀痕，泵轴正是沿着这些刀痕之一整齐地发生 脆性断裂。
结论：泵轴的断裂为低载荷高应力集中的旋转弯曲疲

低应力脆性断裂按其断口的形貌可分为解理断裂和沿
晶断裂。
解理断口
沿晶断口
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3、表面损失失效
由于磨损、疲劳、腐蚀等原因，使零部件表面失去正常工作所必须的 形状、尺寸和表面粗糙度造成的失效，称为表面损伤失效。
⑴ 磨损(wear)失效 任何两个相互接触的零部件发生相对运动时，其表面会发生磨损，造 成零部件尺寸变化、精度降低而不能继续工作，这种现象称为磨损失 效。 ⑵ 腐蚀(corrosion)失效
第十三章 零部件的失效与选材
第一节 零部件的失效
失效 零件由于某种原因，导致其尺寸、形状、 或材料的组织与性能发生变化而不能完满地完成 指定的功能。
一、失效形式
常见的失效形式有变形失效、断裂失效、表面损失失效 及材料的老化失效等。
1、变形失效
（1）弹性变形失效 不恰当的弹性变形量导致失效。
防止弹性畸变的主要措施：增加零件截面、采用弹性模
（2）脆性断裂失效
断裂前无塑性变形。疲劳断裂、应力腐蚀断裂、腐蚀疲 劳断裂和蠕变断裂等均属于脆性断裂。
① 疲劳断裂
在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的 屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹导致发生断裂，
称金属的疲劳断裂。


②低应力脆性断裂失效
石油化工容器、锅炉等一些大型锻件或焊接件，在工 作应力远远低于材料的屈服应力作用下，由于材料自 身固有的裂纹扩展导致的无明显塑性变形的突然断裂， 称为低应力脆性断裂。


2、典型齿轮的选材 ⑴ 机床齿轮
机床变速箱齿轮担负传递动力，改变运动速度和
方向的任务。工作条件较好，转速中等，载荷不大，工
作平稳无强烈冲击。 一般可选中碳钢(45钢)制造， 为了提高淬透性，也可选用中碳合 金钢(40Cr钢)。

（1）金属材料的工艺性能 金属材料加工的工艺路线复杂。加工工艺不 仅影响零件的成形，还大大影响其最终性能。
金属材料的加工工艺路线


（2）高分子材料工艺性能
高分子材料的加工工艺比较简单，主要是成形加工， 成形加工方法也比较多。高分子材料的切削加工性能 较好，与金属基本相同。但由于高分子材料的导热性 差，在切削过程中易使工件温度急剧升高，使热塑性



由于化学或电化学腐蚀而造成零部件尺寸和性能的改变而导致的失效 称为腐蚀失效。
⑶ 表面疲劳失效

表面疲劳失效是指两个相互接触的零部件相对运动时，在交变接 触应力作用下，零部件表面层材料发生疲劳而脱落所造成的失效。

4、材料的老化
高分子材料在贮存和使用过程中发生变脆、
变硬或变软、变粘等现象，从而失去原有性能